Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности систем управления ДВС подвижных объектов на альтернативных видах топлива. Монография
.pdf
61
p
z
a-y
y-z
z-b
(2.28)
где ηm – механический КПД;
in – количество цилиндров;
τ – тактность двигателя;
Vh – объем цилиндра;
p
– среднее индикаторное давление.
ind
Механический коэффициент полезного действия ηm используется для
оценки относительной мощности механических потерь. Коэффициент η
m
зависит, в основном, от скорости вращения коленчатого вала и в
номинальном режиме работы составляет 0,7-0,85 [83]. Среднее индикаторное
давление в формуле (2.28) выражается в МПа, а объем цилиндра – в дм3.
Значение p
рассчитывается по формуле (2.29).
ind
где l
– индикаторная работа цикла;
ind
(2.29)
Vp – полный объем цилиндра.
Индикаторная работа цикла при моделировании динамики выгорания
бинарного топлива зависит от работы, совершенной в процессе сжатия,
горения и расширения рабочего тела (рис. 1.4)
ВМТ
y
l
l
l
НМТ
b
v
Рис. 2.4. Схема определения работы цикла при моделировании сгорания
бинарного топлива: a – точка закрытия впускного клапана; y – точка поджога
смеси; z – точка окончания горения; b – НМТ,
62
Работа l
вычисляется по формуле
ind
где l
– работа процессе сгорания;
y-z
l
– работа в процессе расширения;
z-b
l
– работа в процессе сжатия.
a-y
(2.30)
Работа газов в процессах расширения и сжатия рассчитывается по
формулам политропического процесса:
(2.31)
(2.32)
где p, v – давление и объем рабочего тела в точках a, y, z индикаторной
диаграммы (рис. 2.4).
Работа газов с учетом динамики выгорания бинарного топлива для
снижения вычислительной нагрузки на ЭБУ при сохранении необходимой
точности рассчитывается по методу трапеций:
(2.33)
где n – число элементарных участков, на которые разбивается процесс
сгорания;
pn, p
, vn, v
n-1
– давление и объем рабочего тела на границах
n-1
элементарных участков.
На основании полученного значения индикаторной работы цикла
вычисляется показатель экономичности – индикаторный коэффициент
полезного действия:
63
(2.34)
На данном этапе расчеты завершаются. Как видно из приведенных
подразделов, в разработанной модели вычисляются все основные показатели
рабочего цикла, позволяющие теоретически оценить влияние бинарного
топлива на индикаторные показатели ДВС.
2.5. Идентификация модели
В качестве коэффициентов идентификации разработанной модели
рабочего цикла ДВС при использовании бинарного топлива выбраны
показатель характера сгорания m и продолжительность горения топлива φz .
Данные параметры имеют определенный физический смысл. Параметр φ
z
является количественной кинетической константой реакции и определяет не
только продолжительность процесса горения, но и его среднюю скорость.
Параметр m является качественной кинетической константой реакции и
однозначно определяет отношение времени достижения наибольшей
плотности эффективных актов реакции к общему времени реакции, при
котором скорость сгорания достигает максимума.
Оптимальное значение продолжительности сгорания должно
находиться в пределах 45-60° ПКВ [82]. Оптимальность, согласно И.И. Вибе,
определяется наилучшим сочетанием высоких значений среднего
индикаторного давления и индикаторного КПД при наименьших значениях
максимальной быстроты нарастания давления, максимального давления и
температуры рабочего тела. При установке входных параметров модели
следует учитывать, что на значение φz влияют: моторные свойства топлива,
интенсивность вихревого движения воздуха в камере сгорания, степень
сжатия и коэффициент избытка воздуха.
Оптимальное значение показателя характера сгорания составляет ≈ 1,5
[83]. Данное значение не реализуется ни в бензиновых, ни в дизельных
64
двигателях. Для первых характерны слишком большие значения (3-4), для
вторых – слишком низкие (0-1). Величина m в модели зависит главным
образом от рода состава бинарного топлива L и изменяется с увеличением
содержания парафинов в пропан-бутановой смеси.
Следует отметить, что экспериментальных данных по значениям φ
для различных топлив и ДВС собрано недостаточно, что делает
невозможным правильную начальную установку этих параметров для
бинарного топлива. Таким образом, для определения этих значений
необходимо провести экспериментальную проверку предложенной модели.
z
и m
3. Разработка алгоритма управления УОЗ и схемы
регулирования состава бинарного топлива
Описанная в гл. 2 модель позволяет провести теоретические
исследования и проверить гипотезы о влиянии бинарного топлива на рабочий
процесс двигателя внутреннего сгорания. Она обладает свойствами, не
присущими отдельно бензину или сжиженному газу, и позволяет, помимо
традиционных управляющих воздействий, таких как: угол опережения
зажигания, соотношение воздух/топливо, продолжительность и момент
впрыска топлива, использовать дополнительный параметр для достижения
необходимых рабочих характеристик ДВС – состав топлива. В третьей главе
описывается разработка алгоритма определения угла опережения зажигания,
учитывающего особенности горения бинарного топлива и разработка схемы
регулирования состава топливной смеси, обеспечивающей наилучшие
эксплуатационные и экологические показатели ДВС в зависимости от
потребностей в крутящем моменте.
3.1. Новые возможности управления ДВС при работе на
бинарном топливе
Распространенные методы управления ДВС ориентированы на работу с
одним видом топлива в один момент времени и поэтому не могут быть
65
использованы для работы с бинарным топливом в полном объеме. Однако
они могут выступать той базой, которая будучи модифицирована и
дополнена необходимыми функциями, позволит оперировать и бинарными
топливными смесями.
Существующие методы можно сгруппировать по двум направлениям:
методы, использующие диаграммы с поправочными коэффициентами и
методы, построенные вокруг значения необходимого крутящего момента.
Первые являются устаревшими и не позволяют управлять ДВС как
целостным объектом, а последние актуальны и развиваются крупнейшими
мировыми автопроизводителями. Основной задачей управления в системах,
базирующихся на величине крутящего момента, является обеспечение такого
крутящего момента, который необходим в данный момент времени.
Обобщенная структура таких систем представлена на рис.3.1. Для
определения потребного момента в подсистеме «Необходимый крутящий
момент» на основании данных, полученных от датчиков, регистрируются все
исходные значения и определяются требования к величине крутящего
момента. Первостепенными данными в этом являются: положение педали
газа, скорость вращения коленчатого вала и нагрузка на двигатель. Далее эти
требования передаются в подсистему «Структура крутящего момента» в
качестве входных параметров, где обрабатываются и передаются внутренним
функциям, которые в зависимости от текущего, необходимого и
оптимального крутящего момента определяют управляющие сигналы для
подсистемы воздухоподачи и зажигания, а также топливной подсистемы.
Основными управляющими параметрами для этих подсистем являются
соотношение воздух/топливо, угол опережения зажигания и время открытия
топливных форсунок. Данные параметры преобразуются соответствующими
подсистемами в управляющие импульсы для электромеханических
исполнительных механизмов.
66
Необходимый
Датчики
Контроль
системы
Структура
крутящего
момента
крутящий
момент
Система
воздухоподачи
Исполнительные
механизмы
Топливная система
Система зажигания
Рис. 3.1. Структура системы управления ДВС на основе значения крутящего
момента
При использовании бинарного топлива, помимо вышеупомянутых
общепринятых управляющих воздействий, таких как длительность открытия
форсунки, соотношение воздух/топливо и момент поджога топливно-
воздушной смеси, становится возможным изменять состав топлива на уровне
его компонентов, т.е. увеличивать и уменьшать доли бензина и сжиженного
газа в результирующей топливной смеси заданием необходимого времени
открытия бензиновых и газовых форсунок. Поскольку предполагается, что
состав топлива будет значительно влиять на крутящий момент ДВС, в
структуре крутящего момента необходима новая подсистема,
рассчитывающая это воздействие. Кроме того, при работе на бинарном
топливе необходим специальный алгоритм определения угла опережения
зажигания, который позволит учесть варьирующиеся свойства топливно-
воздушной смеси, в том числе ее склонность к детонации, изменяющуюся в
зависимости от состава топлива (рис. 3.2).
Входные параметр
Необходимый
УОЗ
67
% наж.
педали газа
Алгоритм расчета
УОЗ
Обороты КВ и
нагрузка на ДВС
Внешн. и
внутрн. парам
Структура крутящего момента
Модель расчета
крутящего момента
воздух/топливо
Система
воздухоподачи
регулирования
состава бинарного
Топливная система Система зажигания
крутящий
момент
Схема
топлива
t откр. бенз. форс.
t откр. бенз. форс.
Рис. 3.2. Роли схемы регулирования состава и алгоритма расчета УОЗ в
процессе управления ДВС при работе на бинарном топливе
Таким образом, для управления ДВС при работе на бинарном топливе,
известная для монотопливных систем структура крутящего момента должна
быть расширена модифицированной моделью расчета крутящего момента,
модифицированным алгоритмом определения УОЗ и дополнена схемой
регулирования состава бинарного топлива.
3.2. Разработка алгоритма управления углом опережения
зажигания
Угол опережения зажигания является одним из самых существенных
параметров, влияющих на индикаторные показатели ДВС. При прочих
равных условиях разные углы опережения зажигания могут обеспечивать
разную работу, производимую при сгорании топливно-воздушной смеси, и
различный расход топлива.
Целью современного подхода к управлению УОЗ является
оптимизация управления, т.е. достижение поставленных целей наилучшим с
68
точки зрения принятого критерия образом при наличии ограничений.
Главной задачей при этом является установление оптимальной совокупности
значений его управляющих воздействий. Оптимальность имеет смысл только
при наличии обобщенного показателя качества – критерия оптимальности
или целевой функции, достаточно ощутимо отражающего эффективность
управления. Критерием оптимальности может быть максимальная мощность
двигателя, его экономичность и т.п.. Основная сложность заключается в том,
что зависимость между критерием, например крутящим моментом, и
определяющими его воздействиями, такими как: наполнение цилиндра,
частота вращения КВ, коэффициент избытка воздуха, момент зажигания,
пропуски впрыскивания топлива может быть представлена в виде n-мерной
характеристики (где n – количество управляющих воздействий). Подобные
зависимости в общем виде на текущий момент времени не установлены.
Вместо них используются значительно упрощенные приближения, например
автоконцерн VAG использует пару «УОЗ – крутящий момент». При этом
крутящий момент достигает своего максимального значения при
использовании оптимального угла опережения зажигания.
Опираясь на мировой опыт, в данной работе было решено использовать
УОЗ, обеспечивающий максимум крутящего момента. Из практики известно
правило, согласно которому достижение максимального давления газов в
цилиндре в определенном диапазоне поворота коленчатого вала улучшает
индикаторные параметры двигателя и способствует наиболее полному
сгорания топлива, и, следовательно, обеспечивает наибольшую
индикаторную работу и крутящий момент. Угол опережения зажигания,
реализующий достижение максимума давления в цилиндре в необходимом
диапазоне, можно рассчитать с помощью разработанной в гл. 2 модели и
создать на этой основе единый алгоритм расчета, который возможно
использовать:
1) для различных составов бинарного топлива;
2) различных конструктивных параметров ДВС;
69
3) различных условий окружающей среды.
Согласно имеющимся данным [82, 90], целевой диапазон лежит в
пределах от 8 до 15 градусов поворота коленчатого вала после ВМТ и
определятся конструкцией двигателя. Для учета данного обстоятельства в
алгоритме необходимо предусмотреть возможность определения границ
целевого диапазона.
3.2.1. Разработка процедуры расчета УОЗ для достижения
максимального давления в целевом диапазоне
Для определения угла опережения зажигания, обеспечивающего
достижение максимального давления в целевом диапазоне, на основе
полученной во второй главе математической модели была разработана
процедура расчета, состоящая из следующих основных этапов:
1) производится расчет термодинамической составляющий давления в
цилиндре с учетом параметров окружающей среды и работы двигателя;
2) на основании термодинамической составляющей рассчитывается
кинетическая составляющая, по которой определяется максимальное
давление;
3) по точке достижения максимального давления определяется
соответствующий ей угол опережения зажигания.
Термодинамическая составляющая давления представляет собой набор
значений давления в цилиндре, изменяющегося в зависимости от положения
коленчатого вала без подачи искры. Ее расчет начинается с определения
давления в цилиндре в конце такта впуска pa по формуле (2.1).
Полученное значение давления pa является отправной точкой для
расчета термодинамической составляющей давления в цилиндре на
промежутке от нижней до верхней мертвой точки. При этом угол поворота
коленчатого вала ϕ изменяется от 0 до 180 градусов с шагом в 1 градус.
Значение давления p(ϕ) вычисляется по формуле (2.5).
70
После расчета необходимого набора значений термодинамической
составляющей давления выполняется расчет кинетической составляющей pn,
которая представляет собой набор значений давления внутри цилиндра в
зависимости от поворота коленчатого вала с учетом момента поджога и
горения топливно-воздушной смеси. Для этого процесс горения разбивается
на интервалы, выражаемые в градусах поворота коленчатого вала. Интервал
задается границами [
последующего интервала
правой границе предыдущего интервала
ϕ
,
ϕ
n-1
], а давление на правой границе каждого
n
ϕ
вычисляется на основании значения давления на
n
ϕ
по формуле (2.18).
n-1
После завершения расчета кинетической составляющей давления
определяется максимальное значение в наборе и соответствующий ему угол
поворота коленчатого вала. Если последний находится в целевом диапазоне,
то угол опережения зажигания, обеспечивший при этом максимальное
давление в цилиндре, определяется как 180 – ϕ, где ϕ – угол, с которого был
начат расчет кинетической составляющей. В противном случае выполняется
коррекция согласно описанному далее алгоритму.
3.2.2. Алгоритмическая реализация процедуры расчета
Вычисление угла опережения зажигания, позволяющего получить
максимум давления в цилиндре в необходимом диапазоне угла поворота
коленчатого вала, представляет собой последовательность операций с
условными переходами и циклами, которую удобно представить алгоритмом,
схема которого приведена на рис. 3.3 и содержит 18 процессов. На
представленный алгоритм получен патент РФ «Способ зажигания двигателя
автомобиля» [91].
В начале в процессе 1 «ввод исходных данных» происходит опрос
датчиков автомобиля, и вводятся известные константы и функции,
необходимые для определения угла опережения зажигания θ. В качестве
датчика нагрузки используется датчик абсолютного давления, по которому
определяется давление p
. Значение температуры воздуха
0
T
определяется по
0
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]